複合構造及びその形成方法

本開示の分野は、概して、複合構造に関し、より具体的には、複合構造の剥離の抑制を促進する複合構造用の充填材料に関する。

一体的に補強された複合構造の亀裂は、とりわけ航空宇宙の用途において、複合構造の外皮と一体的な補強要素との間の境界に位置する角部充填材(radius filler)(すなわち、ヌードル)において始まることが多い。少なくともいくつかの公知の角部充填材は、少なくとも部分的に樹脂で形成されている。樹脂の亀裂が、複合構造の製造時に、不適切な工具、不適切な工具の取り扱い、及び/又は残留の引っ張りひずみの結果として形成される可能性がある。例えば、複合構造における残留の引っ張りひずみが、熱膨張係数の不一致の結果として形成され、角部充填材に樹脂の限界亀裂ひずみを超えるひずみ環境を生じさせる可能性がある。角部充填材の周囲の構造体の形状が、硬化後及び硬くなった後の樹脂の冷却時の収縮に対して三次元的な拘束を生む。

典型的な角部充填材の材料として、これらに限られるわけではないが、あらかじめ含浸を済ませた(すなわち、プリプレグ)複合材料(例えば、積層された帯状片及び/又は圧延されたプリプレグ複合材料)並びに/或いは純粋な樹脂が挙げられる。少なくとも一部の公知の複合構造においては、角部充填材における亀裂の伝播が、隣接する積層された接合部におけるプライの剥離を引き起こす可能性がある。より具体的には、角部充填材における亀裂の伝播が、積層による接合部の劣化の引き金となる可能性がある。角部充填材における亀裂の形成を抑えることで、積層された接合部の完全性が保証されると考えられるが、亀裂の形成を完全に防止することは、不可能ではないかもしれないが、通常は困難である。さらに、複合構造がますます大きなサイズにて製造されるにつれて、角部充填材における亀裂の形成を抑えることが、さらに困難になる。したがって、角部充填材における亀裂が、積層による接合部の劣化を引き起こすことがないように保証するシステム及び方法について、ニーズが存在する。

一態様においては、複合構造が提供される。複合構造は、一体に結合されて接合部を形成する複数の構成要素を備え、複数の構成要素は、複数の構成要素の間に隙間が少なくとも部分的に定められるように方向付けられる。充填材構造物が、隙間に配置され、充填材構造物は、独立気泡の発泡体コアを備える。

別の態様においては、複合構造を形成する方法が提供される。本方法は、複数の構成要素を一体に結合させて接合部を形成するステップを含み、ここで複数の構成要素は、複数の構成要素の間に角部隙間が形成されるように方向付けられる。さらに本方法は、独立気泡の発泡体コアを含む充填材構造物を形成するステップと、充填材構造物を角部隙間に配置するステップと、複数の構成要素及び充填材構造物に熱又は圧力の少なくとも一方を印加するステップとを含む。

上述の特徴、機能、及び利点を、本開示の種々の実施例において個別に達成することができ、或いは以下の説明及び図面を参照してさらなる詳細を見て取ることができるさらに別の実施例に組み合わせることができる。

典型的な航空機の製造及び保守点検方法のフロー図である。

典型的な航空機のブロック図である。

図2に示した航空機において使用することができる典型的な複合構造の概略図である。

図3に示した複合構造の領域4について得た拡大概略図である。

図4に示されている独立気泡の発泡体コアの拡大概略図である。

図3に示した複合構造に使用することができる独立気泡の発泡体コアを製作するプロセスの各工程の典型的な順序を説明する概略のフロー図である。

図6に示した独立気泡の発泡体コアを製作するプロセスの各工程の別の順序を説明する概略のフロー図である。

複合構造を形成する典型的な方法のフロー図である。

本明細書に記載される実施例は、複合構造の角部隙間(すなわち、ヌードル領域)における剥離の抑制を促進する角部充填材構造物を備える複合構造に関する。典型的な実施例において、充填材構造物は、独立気泡の発泡体コアを備える。独立気泡の発泡体コアは複数のコア部気泡を備え、当該コア部気泡は、側壁と、側壁によって定められる空所とを備える。独立気泡の発泡体コアは、側壁が静水力学的な張力に応じて塑性的に降伏することを可能にすることによって、ひずみエネルギーを吸収する材料から作られる。具体的には、充填材構造物は、複合構造の角部隙間に配置され、独立気泡の発泡体コアは、複合構造の製造時に複合構造の構造的な完全性が実質的に維持されることを保証するように選択される物理的特性を有する。したがって、本明細書に記載される充填材構造物は、樹脂における亀裂の伝播が積層された接合部の劣化を引き起こすことができないよう、樹脂を含まない。

図面を参照すると、本開示の実施例を、航空機の製造及び保守点検方法100(図1に示されている)に照らして、航空機102(図2に示されている)によって説明することができる。仕様及び設計104を含む製造前段階において、航空機102のデータを製造プロセスにおいて使用することができ、機体に関係する他の材料の調達106を行うことができる。製造時に、航空機102の構成要素及び部分組立品の製造108並びにシステム統合110が行われ、その後に航空機102は、認証及び搬送のプロセス112に進む。機体の認証の成功裏の履行及び完了の後に、航空機102を就航114させることができる。顧客による就航中に、航空機102について、例えば改良、構成変更、及び/又は改修を含む定期的かつ所定の計画された整備及び保守点検116を予定することができる。別の実施例においては、製造及び保守点検方法100を、航空機以外の乗り物によって実施してもよい。

航空機の製造及び/又は保守点検100に関する各々の部分及びプロセスを、システムインテグレーター、第三者、及び/又は運用者(例えば、顧客)によって実行又は達成することができる。本明細書の目的において、システムインテグレーターは、これらに限られるわけではないが、任意の数の航空機メーカー及び主要なシステムの下請け業者を含むことができ、第三者は、これらに限られるわけではないが、任意の数の製造供給元、下請け業者、及びサプライヤーを含むことができ、運用者は、航空会社、リース企業、軍、サービス組織(service organization)などであってよい。

図2に示されるとおり、方法100によって製造される航空機102は、複数のシステム120と内部122とを有する機体118を備えることができる。上位のシステム120の例として、推進システム124、電気システム126、油圧システム128、及び/又は環境システム130が挙げられる。任意の数の他のシステムが含まれてよい。

本明細書において具現化される装置及び方法を、方法100の各段階のうちの任意の1つ以上において使用することができる。例えば、構成要素の製造プロセス108に対応する構成要素又は部分組立品を、航空機102が就航中であるときに製造される構成要素又は部分組立品と同様の方法で製作又は製造することができる。さらに、1つ以上の装置の実施例、方法の実施例、又はそれらの組み合わせを、製造段階108及び110において、例えば大幅な航空機102の組み立ての促進及び/又は組み立てのコストの削減によって利用することができる。同様に、装置の実施例、方法の実施例、又はそれらの組み合わせのうちの1つ以上を、例えば計画された整備及び保守点検116の際など、航空機102の就航時又は整備時に利用することができる。

本明細書において使用されるとき、用語「航空機」は、これらに限られるわけではないが、飛行機、無人機(UAV)、グライダー、ヘリコプター、及び/又は空域を通って移動する任意の他の物体を含むことができる。さらに、代案の実施例においては、本明細書に記載の航空機の製造及び保守点検方法を、任意の製造及び/又は保守点検の作業に使用することができる。

図3は、航空機102(図2に示されている)において使用することができる典型的な複合構造200の概略図であり、図4は、領域4について得た複合構造200の拡大概略図である。典型的な実施例において、複合構造200は、T字形の接合部206を形成するように一体に結合された複数の構成要素204を備える。構成要素204は、外皮パネル208、外皮パネル208に結合されたプランク210、プランク210に結合された第1の補剛材212、及びプランク210に結合された第2の補剛材214を含む。構成要素204は、プランク210と第1及び第2の補剛材212及び214との間に角部隙間(radius gap)216が定められるように方向付けられる。より具体的には、角部隙間216は、複合構造200の長さLについて延びており、少なくとも一部分が第1及び第2の補剛材212及び214の対向する相補的な湾曲部218によって定められている。別の実施例においては、第1及び第2の補剛材212及び214を、外皮パネル208に直接結合させることができる。さらに、代案においては、構成要素204は、接合部の間に角部隙間が定められるような任意の構成を有することができる。

複合構造200は、角部隙間216に配置された充填材構造物220をさらに含む。図4を参照すると、充填材構造物220は、複数のコア部気泡224を含む独立気泡の発泡体コア222を備える。各々のコア部気泡224は、側壁226と、側壁226によって定められ、且つ空気で実質的に満たされている空所228とを備える。したがって、充填材構造物220は、樹脂を含んでいない。さらに、さらに詳しく後述されるとおり、独立気泡の発泡体コア222は、複合構造200によって複合構造200に加えられる静水力学的な張力230に応じて側壁226が塑性的に降伏するような材料から作られる。具体的には、空所228は、独立気泡の発泡体コア222がエネルギーを吸収することを可能にすることを手助けし、独立気泡の発泡体コア222における多孔率の規定を手助けする。独立気泡の発泡体コア222の多孔率は、独立気泡の発泡体コア222が所定のエネルギー吸収能力及び体積圧縮剛性を有するように選択される。例えば、典型的な実施例においては、独立気泡の発泡体コア222は、独立気泡の発泡体コア222の約20体積パーセント〜約40体積パーセントの間に定められる範囲内の多孔率を備える。

複合構造200が本明細書に記載のとおりに機能することを可能にする任意の材料から独立気泡の発泡体コア222を製作することができる。独立気泡の発泡体コア222の製作に使用される材料は、その材料が特定の物理的特性を所定のレベルで備えるか否かに基づいて選択される。典型的な物理的特性は、これらに限られるわけではないが、体積弾性率、表面エネルギー、及び熱膨張係数を含む。例えば、体積弾性率は、複合構造200がその製造時に高い圧力に曝されるときに独立気泡の発泡体コア222の変形の抑制を促進するように選択され、表面エネルギーは、独立気泡の発泡体コア222が構成要素204に結合したままであるように選択され、熱膨張係数は、環境条件の変化に曝されたときに複合構造200の構造的な完全性が実質的に維持されるように選択される。典型的な実施例において、独立気泡の発泡体コア222は、ニューヨーク州AlbanyのMomentive Performance Materials Holdings, Inc.によって製造されるRTV566など、シリコーンベース材料から製作される。

図5は、独立気泡の発泡体コア222の拡大概略図である。さらに詳しく後述されるとおり、熱又は圧力の少なくとも一方が、複合構造200の形成を促進するために構成要素204(各々が図3に示されている)に加えられる。一般に、静水力学的な張力230(図4に示されている)は、充填材構造物220が複合構造200の形成時の高い温度からの冷却時に収縮できないがゆえに、静水力学的である。したがって、側壁226が、狭くなった領域227において局所的に引き伸ばされ(すなわち、収縮できず)、降伏後の塑性変形が生じる。より具体的には、側壁226が、比較的薄い膜であり、したがって側壁226の引き伸ばしが、静水力学的でない。むしろ、独立気泡の発泡体コア222は、ひずみエネルギーの吸収を促進するために、側壁226が狭くなった領域227において局所的に降伏できる材料から製作される。

図6は、独立気泡の発泡体コア222を製作するプロセスの各工程の典型的な順序232を説明する概略のフロー図であり、図7は、独立気泡の発泡体コア222を製作するプロセスの各工程の別の順序234を説明する概略のフロー図である。典型的な実施例において、独立気泡の発泡体コア222は、所定の量の液化させた独立気泡の発泡体の材料(図示されていない)を金型236に注ぐことによって製作される。金型236は、所定の量の独立気泡の発泡体の材料を受け入れる内部空洞238を備え、内部空洞238は、独立気泡の発泡体コア222の最終的な所望の形状と実質的に同様の形状を有している。次いで、所定の量の独立気泡の発泡体の材料は次いで、第1の処理工程240において硬化され、それによって、独立気泡の発泡体コア222は、それが形成された場合に角部隙間216と実質的に同様の断面形状を有する。さらに、第1の処理工程240は、独立気泡の発泡体コア222における空所228の形成を促進する。例えば、第1の処理工程240は、所定の量の独立気泡の発泡体の材料へ発泡剤を導入すること又は縮合重合による独立気泡の発泡体コア222を製作することの少なくとも一方によって、空所228の形成を促進する。典型的な発泡剤は、これらに限られるわけではないが、二酸化炭素、ペンタン、及び炭酸塩材料など、物理的又は化学的のいずれかの発泡剤を含む。

図7を参照すると、独立気泡の発泡体コア222は、所定の量の独立気泡の発泡体の材料を金型242に注ぐことによって製作される。金型242は、所定の量の独立気泡の発泡体の材料を受け入れる内部空洞244を備え、内部空洞244は、順序234が本明細書に記載のとおりに機能することを可能にする任意の形状を有する。例えば、典型的な実施例において、内部空洞244は、実質的に矩形の断面形状を有する。次いで、所定の量の独立気泡の発泡体の材料が、第1の処理工程240において、上述のように、中間的な独立気泡の発泡体コア246が形成されるように硬化される。中間的な独立気泡の発泡体コア246のサイズが、切断、切削、又は機械加工などの第2の処理工程248において減少される。すなわち、第2の処理工程248は、中間的な独立気泡の発泡体コア246を角部隙間216と実質的に同様の断面形状を有する独立気泡の発泡体コア222に形成するために実施される。或いは、複数の中間的な独立気泡の発泡体コア246を金型242において製作し、一体に結合させ、その後に第2の処理工程248によって独立気泡の発泡体コア222を形成すべくサイズの減少を施すことができる。さらに、代案として、種々の形状の複数の独立気泡の発泡体コア246を製作し、独立気泡の発泡体コア222を形成すべく所望の向きにて一体に結合させてもよい。

図8は、複合構造200などの複合構造の形成の典型的な方法300のフロー図である。方法300は、構成要素204を一体に結合302させてT字形の接合部206を形成することを含み、ここで構成要素204は、構成要素204の間に角部隙間216が形成されるように方向付けられる。独立気泡の発泡体コア222を含む充填材構造物220が形成される304。さらに方法300は、充填材構造物220を角部隙間216に配置すること306と、熱又は圧力の少なくとも一方を構成要素204及び充填材構造物220に加えること308とを含む。熱及び/又は圧力は、真空バギング(vacuum bagging)プロセスによって加えられることができ、さらには/或いは複合構造200を、オートクレーブ(図示せず)に配置することができる。

いくつかの実施例において、充填材構造物220の形成304は、所定の量の独立気泡の発泡体の材料を角部隙間216の断面形状と実質的に同様の断面形状を有する金型236に注ぐこと、及び金型236において所定の量の独立気泡の発泡体の材料を硬化させることを含む。或いは、形成304は、所定の量の独立気泡の発泡体の材料を金型242に注ぐこと、金型242において所定の量の独立気泡の発泡体の材料を硬化させ、中間的な独立気泡の発泡体コア246を形成すること、及び充填材構造物220が角部隙間216の断面形状と実質的に同様の断面形状を有するように中間的な独立気泡の発泡体コア246を形成することを含む。中間的な独立気泡の発泡体コア246の形成は、中間的な独立気泡の発泡体コア246の切断、切削、又は機械加工のうちの少なくとも1つを含む。

充填材構造物220の形成304は、圧力が加えられる308ときの充填材構造物220の変形の抑制を促進する体積弾性率を有する独立気泡の発泡体の材料から独立気泡の発泡体コア222を製作すること、及び独立気泡の発泡体コア222をシリコーンベースの材料から製作することをさらに含む。一実施例においては、充填材構造物220の形成304が、静水力学的な張力230に応じて塑性的に降伏するように構成された側壁226を備える独立気泡の発泡体コア222を形成すること、及び側壁226によって定められる空所228を形成することを含む。空所228は、空気で実質的に満たされる。

いくつかの実施例において、充填材構造物220の形成304は、独立気泡の発泡体コアの約20体積パーセント〜約40体積パーセントの間に定められる範囲内の多孔率を備える独立気泡の発泡体コア222を形成することを含み、樹脂を含まない充填材構造物220を形成すること304を含む。

本開示による主題について、特許請求の範囲に記載されるかもしれず、或いは記載されないかもしれない例示の例(ただし、これですべてではない)が、以下の条項1A〜20Bに提示される。

条項1A 一体に結合されて接合部を形成する複数の構成要素であって、前記複数の構成要素の間に隙間が少なくとも部分的に定められるように方向付けられる、複数の構成要素と、 前記隙間に配置された充填材構造物と、 を備え、 前記充填材構造物は、独立気泡の発泡体コアを備える複合構造。

条項2A 前記独立気泡の発泡体コアは、静水力学的な張力に応じて塑性的に降伏するように構成された側壁を備える複数のコア部気泡を備える条項1Aに記載の複合構造。

条項3A 前記複数のコア部気泡は、前記側壁によって定められた空所を備え、前記空所は、空気で実質的に満たされている条項2Aに記載の複合構造。

条項4A 前記独立気泡の発泡体コアは、シリコーンベースの材料から作られる条項1A〜3Aのいずれか一項に記載の複合構造。

条項5A 前記独立気泡の発泡体コアは、前記独立気泡の発泡体コアが所定のエネルギー吸収能力を有するように選択された多孔率を備える条項1A〜4Aのいずれか一項に記載の複合構造。

条項6A 前記多孔率が、前記独立気泡の発泡体コアの約20体積パーセント〜約40体積パーセントの間に定められる範囲内である条項5Aに記載の複合構造。

条項7A 前記充填材構造物が、樹脂を含まない条項1A〜3Aのいずれか一項に記載の複合構造。

条項8A 前記充填材構造物は、前記隙間の断面形状と実質的に同様の断面形状を有する条項1A〜7Aのいずれか一項に記載の複合構造。

条項9A 前記複数の構成要素は、前記隙間が前記複数の構成要素の長さに沿って延びるように一体に結合される条項1A1〜8Aのいずれか一項に記載の複合構造。

条項10A 前記複数の構成要素のうちの少なくとも1つは、前記複数の構成要素の間に角部隙間が定められるように湾曲部を備える条項1A〜9Aのいずれか一項に記載の複合構造。

条項11B 複合構造を形成する方法であって、 複数の構成要素を一体に結合させ接合部を形成するステップであって、複数の構成要素の間に角部隙間を形成するように方向付けられる、ステップと、 独立気泡の発泡体コアを含む充填材構造物を形成するステップと、 前記充填材構造物を前記角部隙間に配置するステップと、 前記複数の構成要素及び前記充填材構造物に熱又は圧力の少なくとも一方を加えるステップと、 を含む方法。

条項12B 充填材構造物を形成するステップは、 前記角部隙間の断面形状と実質的に同様の断面形状を有する金型に、所定の量の独立気泡の発泡体の材料を注ぐステップと、 前記所定の量の独立気泡の発泡体の材料を前記金型において硬化させるステップと を含む条項11Bに記載の方法。

条項13B 充填材構造物を形成するステップは、 所定の量の独立気泡の発泡体の材料を金型に注ぐステップと、 前記所定の量の独立気泡の発泡体の材料を前記金型において硬化させ、中間的な独立気泡の発泡体コアを形成するステップと、 前記充填材構造物が前記角部隙間の断面形状と実質的に同様の断面形状を有するように前記中間的な独立気泡の発泡体コアを形成するステップと、 を含む条項11Bに記載の方法。

条項14B 前記中間的な独立気泡の発泡体コアを形成するステップは、前記中間的な独立気泡の発泡体コアの切断、切削、又は機械加工のうちの少なくとも1つを含む条項13Bに記載の方法。

条項15B 充填材構造物を形成するステップは、前記圧力が加えられたときに、前記充填材構造物の変形の抑制を促進する体積弾性率を有する独立気泡の発泡体の材料から前記独立気泡の発泡体コアを製作するステップを含む条項11B〜14Bのいずれか一項に記載の方法。

条項16B 充填材構造物を形成するステップは、シリコーンベースの材料から前記独立気泡の発泡体コアを製作するステップを含む条項11B〜15Bのいずれか一項に記載の方法。

条項17B 充填材構造物を形成するステップは、静水力学的な張力に応じて塑性的に降伏するように構成された側壁を備える独立気泡の発泡体コアを形成するステップを含む条項11B〜16Bのいずれか一項に記載の方法。

条項18B 前記独立気泡の発泡体コアを形成するステップは、前記側壁によって定められる空所を形成するステップを含み、前記空所は、空気で実質的に満たされる条項17Bに記載の方法。

条項19B 充填材構造物を形成するステップは、前記独立気泡の発泡体コアの約20体積パーセント〜約40体積パーセントの間に定められる範囲内の多孔率を含む前記独立気泡の発泡体コアを形成するステップを含む条項11B〜18Bのいずれか一項に記載の方法。

条項20B 充填材構造物を形成するステップは、樹脂を含まない前記充填材構造物を形成するステップを含む条項11B〜15Bのいずれか一項に記載の方法。

本明細書に記載の実施例は、複合構造のヌードル領域における複合構造の剥離の発生の抑制を促進する充填材構造物に関する。充填材構造物は、静水力学的な張力に応じて塑性的に降伏する側壁を備える独立気泡の発泡体コアから製作される。例えば、側壁は、複合構造の製造時に静水力学的な張力が加えられたときに降伏するが、充填材構造物は、高い圧力における独立気泡の発泡体コアの変形の抑制及び複合構造の所望の構造の維持を促進する体積弾性率を有する。さらに、充填材構造物は、ヌードル領域におけるひずみが独立気泡の発泡体コアによって吸収され、樹脂における亀裂の伝播によって引き起こされる剥離がなくなるように、樹脂を含まない。

本明細書は、最良の態様を含む種々の実施例を開示するとともに、あらゆる装置又はシステムの製作及び使用並びにあらゆる関連の方法の実行を含む種々の実施例の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの例を使用している。本開示の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者であれば想到できる他の例も含むことができる。そのような他の例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有し、或いは特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。

100 航空機の製造及び保守点検方法 102 航空機 104 仕様及び設計 106 材料調達 108 構成要素及び部分組立品の製造プロセス 110 システム統合プロセス 112 認証及び搬送プロセス 114 就航プロセス 116 整備及び保守点検プロセス 118 機体 120 システム 122 内部 124 推進システム 126 電気システム 128 油圧システム 130 環境システム 200 複合構造 204 複合構造の構成要素 206 T字形の接合部 208 外皮パネル 210 プランク 212 第1の補剛材 214 第2の補剛材 216 角部隙間 218 湾曲部 220 充填材構造物 222 発泡体コア 224 コア部気泡側壁 226 側壁 227 側壁の狭くなった領域 228 空所 230 張力 232 典型的な順序 234 別の順序 236 金型 238 内部空洞 240 第1の処理工程 242 金型 244 内部空洞 246 中間的な独立気泡の発泡体コア 248 第2の処理工程 300 複合構造の形成の典型的な方法 302 結合ステップ 304 形成ステップ 306 配置ステップ 308 印加ステップ